塑料的激光加工

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:2213

在汽車工業(yè)中,塑料的使用日益增加。同樣的,材料和元部件的整合意味著塑料的焊接方法日漸成為一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。
已有的技術(shù)如超聲波焊接,熱板焊,以及粘合技術(shù)各有所長,但是這些技術(shù)存在不少局限性,如在加工過程,可焊接材料方面有限制,費(fèi)用昂貴,或是需要使用專門工具。然而,針對(duì)這些技術(shù)的限制,出現(xiàn)了一種新型技術(shù)。高功率二極管激光器的商業(yè)化和傳輸焊接技術(shù)的發(fā)展從根本上改善塑料焊接的能力,它已發(fā)展到有可能促使激光焊接成為塑料加工的關(guān)鍵加工技術(shù)。
高功率二極管激光器
高功率二極管激光器是基于固態(tài)技術(shù)而發(fā)展起來的,因此,它們可靠性好,典型的最少設(shè)計(jì)使用壽命在10,000工作時(shí)左右。它們也對(duì)已有的激光器類型帶來了進(jìn)一步的顯著改善,在結(jié)構(gòu)緊湊性,光束尺寸,電光效率以及資本和運(yùn)行費(fèi)用方面。
例如,250W的激光頭裝置尺寸僅260×125 x 125mm,重5 kg。輔助設(shè)備僅有一個(gè)小的控制面板和一個(gè)冷卻裝置。組合控制系統(tǒng)與冷卻裝置的系統(tǒng)也可用。激光頭緊湊的結(jié)構(gòu)使它可以被直接安裝到機(jī)械手上,從而具有多軸加工能力。如果需要的話,光束也可以通過光纜來傳輸。
二極管激光器的電光效率大于30%,相比于CO2和Nd:YAG激光器,各自的效率值分別為10%和4%。
目前現(xiàn)有的高功率二極管激光器輸出功率大于6KW,這樣的強(qiáng)度足以滿足熔覆,焊接,以及金屬的表面熱處理。然而,在汽車工業(yè)方面,激光焊接初始應(yīng)用是在連接聚合物方面。雖然熱塑性塑料易于吸收遠(yuǎn)紅外波段的輻射能,但是對(duì)于二極管激光器產(chǎn)生的近紅外光卻是透光的。大部分能量不被聚合物吸收。然而,可以通過有選擇的加入添加劑如色素,填充劑,強(qiáng)化劑等來使塑料吸收激光能量。
傳輸焊接
傳輸焊接技術(shù)利用了聚合物和添加劑的不同吸收和傳輸特性,采用了具有某種重疊的形態(tài)來實(shí)現(xiàn)焊接。通過仔細(xì)的選擇材料和添加劑,使得接點(diǎn)的上半部分可以透射激光而下半部分則被設(shè)計(jì)成可以吸收足夠的激光能量,這樣使得界面熔融,從而實(shí)現(xiàn)焊接目的。在這方面的應(yīng)用中,碳是很理想的添加劑,因?yàn)樗子谖斩䴓O管激光器的能量。
激光傳輸焊接與現(xiàn)有的塑料焊接技術(shù)相比具有許多的優(yōu)勢(shì)。與振動(dòng)/超聲焊接不同,激光傳輸焊接是非接觸加工,這樣比較不容易對(duì)敏感元件,比如含有電子線路的元件,造成損壞。此外,它幾乎不需要什么專門工具,而大部分振動(dòng)/超聲,熱板焊接系統(tǒng)都需要許多專門的工具來對(duì)元件進(jìn)行加工。
在激光加工過程中的關(guān)鍵因素包括:選擇加入聚合物的添加劑,(即色素、增強(qiáng)劑、加工輔助劑),接縫設(shè)計(jì),加工通路設(shè)計(jì)等。
英國Warwick Laser Systems公司(考文垂市)已研制出了一種塑料的激光傳輸焊接裝置并且實(shí)現(xiàn)了商品化。對(duì)一系列熱塑性塑料的適用性評(píng)估已經(jīng)確定了許多材料的焊接條件,這些材料包括了彩色材料,聚丙烯,聚乙烯,丙烯酸樹脂,聚碳酸酯,玻璃填料和薄膜材料。
作為非接技術(shù),激光焊接避免了與其他傳統(tǒng)技術(shù)有關(guān)的工具污染和產(chǎn)品放置的問題。從二極管激光器系統(tǒng)射出的光束是高度可控的,而且輸出穩(wěn)定且可預(yù)先設(shè)定,并允許進(jìn)行連續(xù)焊接。激光器功率高,光束寬,因此可以進(jìn)行大面積的焊接,事實(shí)上對(duì)于元件尺寸和結(jié)構(gòu)沒有任何限制。而如果需要的話,光束的高度可控性和光束傳輸?shù)臏?zhǔn)確性也能夠確保十分精密的焊接操作。
汽車應(yīng)用
在食品包裝,醫(yī)療設(shè)備,和科研設(shè)備等領(lǐng)域中都已很好的利用了激光傳輸焊接技術(shù),而汽車工業(yè)仍是這項(xiàng)技術(shù)最主要的采用領(lǐng)域。
最近,英國Birkby's Plastics公司(西約克郡,利弗西奇)利用激光傳輸焊接技術(shù)來制造一種新型電控節(jié)氣門(ETC)踏板用于機(jī)動(dòng)車輛。踏板如圖1,它被制成玻璃填充尼龍模具,在汽車工業(yè)的用途很廣。
圖1:電控節(jié)氣門踏板
新的ETC踏板特點(diǎn)是使用整合而非栓接的傳感器,這使得它與其他踏板相比,具有集成,經(jīng)濟(jì),且不易損壞特性。當(dāng)駕駛員踩踏板時(shí),需求信號(hào)被傳送到引擎控制系統(tǒng),將它與點(diǎn)火圖相比,可使燃料更精確地加到引擎中,保持高的燃燒效率,從而達(dá)到經(jīng)濟(jì),性能的優(yōu)化,和廢氣排放少的目的。
要將傳感器整合在踏板里最重要的是將“電位計(jì)”精確焊接在正確位置。由于電位計(jì)需要被準(zhǔn)確的放置并且調(diào)零,所以若使用振動(dòng)焊接技術(shù)在兩個(gè)不同的塑料元件之間進(jìn)行焊接是不現(xiàn)實(shí)的。此外,因?yàn)槭褂玫碾娢挥?jì)和踏板用了兩種不同級(jí)別的玻璃填充尼龍,它們的熔點(diǎn)不同,所以也無法使用熱技術(shù)或者超聲焊接技術(shù)來連接這兩個(gè)元件。
WarwickLaser Systems公司的開發(fā)中心在成功的進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后,將二極管激光傳輸焊接系統(tǒng)直接合并到Birkby公司特意建立的自動(dòng)組裝,焊接和測(cè)試生產(chǎn)線,來焊接電控節(jié)氣門踏板組件中的兩個(gè)玻璃填充尼龍?jiān)▓D2)。該系統(tǒng)產(chǎn)生3mm寬的接縫并將電位計(jì)密封在踏板里。
圖2:ETC激光焊接單元
在這種情況下,激光器被安裝在德國Kuka的機(jī)械手上,無需任何專門工具。對(duì)該部件采用機(jī)械手操作的好處在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性。由于要求焊接在元件的兩邊進(jìn)行,在這種情況下,機(jī)械手是最高效的選擇。
有重復(fù)的元件的話就需要使用夾具,并且對(duì)程序進(jìn)行改動(dòng)。機(jī)械手的程序可被存儲(chǔ)起來,從而減少了停工時(shí)間。
激光器的輸出功率可以利用功率計(jì)定期監(jiān)視。由于機(jī)械手的工作區(qū)域很大,因此可以將功率計(jì)安裝于任何方便的地方。用一個(gè)簡(jiǎn)單的程序便可以在生產(chǎn)了若干個(gè)數(shù)的零件后進(jìn)行一次測(cè)量。
在這個(gè)作單元內(nèi)建立材料測(cè)試平臺(tái)的計(jì)劃正在進(jìn)行中,該平臺(tái)可以安置在工作區(qū)外90° 到 180°之間的任何區(qū)域。優(yōu)勢(shì)在于,激光器,機(jī)械手以及安全費(fèi)用都已經(jīng)核算過了。這樣,只需考慮固定夾具和機(jī)械手程序了。
這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用例子是為英國Pall Automotive Division公司(樸次茅斯)焊接永久密封的燃料過濾器外殼。該外殼使用的材料是乙酰樹脂,壁厚2mm。事實(shí)上,外殼是圓環(huán)筒形的,因此它需要從外邊緣和內(nèi)邊緣進(jìn)行對(duì)接焊接(圖3) 。在焊接以前,殼內(nèi)的過濾介質(zhì)被壓縮在箱體中,由于阻尼效應(yīng),無法使用振動(dòng)焊接技術(shù)。外殼最小的爆裂壓強(qiáng)是12巴,安全工作壓強(qiáng)是6巴。
圖3:過濾器焊接位置的截面示意圖
雖然已經(jīng)成功的通過了汽車工業(yè)測(cè)試規(guī)范,但是過濾器的爆裂壓強(qiáng)被認(rèn)為是焊接強(qiáng)度的決定性測(cè)試,因?yàn)檫@是焊縫最終損壞的模式。使用一個(gè)手動(dòng)的液壓缸用來給過濾器加壓,壓力傳感器用來測(cè)壓強(qiáng)。過濾器被裝滿了油,而且被密封。不停的給液壓缸加壓直到過濾器的工作壓強(qiáng)12巴。保持這個(gè)壓強(qiáng)幾秒鐘,有任何壓強(qiáng)的下降則可能表明產(chǎn)生裂縫。然后繼續(xù)加壓直至過濾器最終破裂。破裂壓強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)值>30巴。圖4給出了破裂后的情形。注意到材料是在與焊縫成~60°的地方發(fā)生破裂,而不是沿著焊縫。
圖4:過濾器在34巴壓強(qiáng)下爆裂后的情況
在Pall的生產(chǎn)機(jī)器中包括有兩個(gè)固定平臺(tái),各自都有一臺(tái)250W的二極管激光器,用來進(jìn)行從內(nèi)和從外的焊接,每個(gè)平臺(tái)都有用于取放的機(jī)械手來安裝和傳送過濾器,此外還有一個(gè)在線壓力測(cè)量站。整個(gè)裝置如圖5所示。
圖5:過濾器激光焊接裝置

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